折射放大光学位移传感器的制造方法
【专利摘要】折射放大光学位移传感器属于光学位移测量【技术领域】。在现有技术中，微力弹性元件与动平面镜由一根连杆连接，属于接触式测量，测量精度低。在本发明之折射放大光学位移传感器中有激光光源和PSD，折射放大三棱镜位于激光光源和PSD之间，激光光源光轴与折射放大三棱镜轴线空间垂直，激光光源发出的测量光入射折射放大三棱镜的入射角a大于等于70°、小于90°，PSD感光面与自折射放大三棱镜出射的测量光垂直。由于被测位移D被折射放大三棱镜放大若干倍，对PSD的分辨率的要求因此明显降低，具有普通分辨率即可。由于在测量过程中，本发明之折射放大光学位移传感器与被测微力弹性元件表面非接触，不会发生因机械连接而导致的测量精度的下降。
【专利说明】折射放大光学位移传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种折射放大光学位移传感器，将微小位移量通过光学折射放大获得位移量值，实现微纳米位移的高精度测量，同时，不要求所使用的光电传感元件具有高分辨率，因此，本发明之折射放大光学位移传感器在实现高精度测量的同时具有低价位的特点，属于光学位移测量【技术领域】。
技术背景
[0002]由于机械产品及零部件的微小型化，要求微机电系统(MEMS)尺寸微小，通过研究这些微型机构的机械性能、运动特性，能够为制造优良的微机电系统提供依据。其中，了解微机电系统的摩擦磨损特性尤为重要，现有技术采用微力弹性元件检测微摩擦力，先采用位移测量技术测量微力弹性元件的变形量，再根据微力弹性元件的变形量与微摩擦力的关系计算出微摩擦力。
[0003]所述位移测量技术就是把位移量转换成与之有确定关系的其它可测量量。
[0004]现有能够测量微纳米位移的光学位移测量方法分为干涉法和衍射法两类，所使用的装置为干涉仪和衍射仪，不过这些装置结构复杂、价格昂贵，且对测量环境要求苛刻。
[0005]另外，采用光电传感元件也能够实现微纳米位移的测量。例如，一篇刊登在《光学与工程技术》第4卷第2期、题为“基于PSD的微小位移研究”的文章公开了一种有关微纳米位移测量的方案。该方案所使用的测量装置由激光光源、定平面镜、动平面镜、PSD (位置敏感器件)等组成，该方案依据光杠杆原理，由一根连杆将微力弹性元件与动平面镜连接起来，当发生弹性变形时微力弹性元件表面发生变形，引起动平面镜角度变化，测量光在定平面镜、动平面镜之间多次反射，在PSD上光斑发生明显位移，在这一过程中，测量装置不仅将角度变化转化为光斑在PSD上的位置变化，获得位移量，而且进行了放大。由PSD检测发生弹性变形前后，测量光光斑在PSD上的位置变化，由光斑位移量与角度的关系以及角度与微力弹性元件表面变形的关系，计算出微力弹性元件表面的变形量。尽管该测量装置使用的并非是高分辨率的PSD，而是普通分辨率PSD，但是吗，测量精度仍较高。不过，在该方案中，微力弹性元件与动平面镜由一根连杆连接，可见，该测量方案属于接触式测量，而微力弹性元件结构精密，接触式测量将会对微力弹性元件自身受力变形效果造成影响，会降低测量精度。
【发明内容】
[0006]为了进一步提高微力弹性元件变形的测量精度，同时使用普通分辨率的PSD，我们发明了 一种折射放大光学位移传感器。
[0007]在本发明之折射放大光学位移传感器中有激光光源I和PSD9，其特征在于，如图1、图2所不，折射放大三棱镜6位于激光光源I和PSD9之间的反射光路上,激光光源I光轴与折射放大三棱镜6轴线空间垂直，激光光源I发出的测量光入射折射放大三棱镜6的入射角a大于等于70°、小于90° ,PSD9感光面与自折射放大三棱镜6出射的测量光垂直。[0008]本发明其技术效果在于，激光光源I发射的测量光照射到微力弹性元件表面5，被反射并以入射角a入射折射放大三棱镜6的一个镜面，由折射放大三棱镜6折射后照射到PSD9的感光面，由此获得一个位置信息。当微力弹性元件发生弹性变形后,微力弹性元件表面5发生位移D，如图1所示，测量光被反射并以相同入射角a入射折射放大三棱镜6的同一个镜面，但是，入射点移动了一个距离L1，如图2所示，由折射放大三棱镜6折射后照射到PSD9的感光面，但是，照射点移动了一个距离h3，由此获得另一个位置信息，由PSD9之后的信号处理单元获得距离匕的值。在上述测量过程中，由于所述位移D的发生，导致反射的测量光相对于原光路平移了一个距离h1;该测量光被折射放大三棱镜6的入射镜面折射后相对于原光路平移了一个距离h2，当入射角a大于70°时，距离h2远大于距离Ii1，如I12A1能够达到43，如图3所示，虽然测量光自折射放大三棱镜6的出射镜面折射后相对于原光路平移距离h3小于距离h2，但是，二者相差很小。另外，微力弹性元件表面5发生的位移D与所述距离Ii1存在对应关系，这样的话就能够由所获得的距离h3的值换算得到量值极其微小的位移D的值，尽管位移D的值处在微纳米量级，但是，由于该位移D被折射放大三棱镜6放大若干倍，对PSD9的分辨率的要求因此明显降低，具有普通分辨率即可。由于在测量过程中，本发明之折射放大光学位移传感器与被测微力弹性元件表面5非接触，不会发生因机械连接而导致的测量精度的下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明之折射放大光学位移传感器总体结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2是测量光通过本发明之折射放大光学位移传感器中的折射放大三棱镜的光路示意图。图3为测量光入射折射放大三棱镜的入射角a与放大倍数Il2A1关系曲线图。图4为在折射放大三棱镜内传播的测量光入射折射放大三棱镜出射镜面的入射角c与缩小倍数h3/h2关系曲线图。图5是测量光入射折射放大三棱镜光斑在一个方向上被拉伸、之后入射光斑矫正三棱镜光斑在与之前被拉伸方向相垂直的方向上再次被拉伸从而得到矫正的情况示意图。图6是光斑形状得到矫正后的测量光入射PSD的情况示意图。
【具体实施方式】
[0010]在本发明之折射放大光学位移传感器中有激光光源I和PSD9,如图1、图2所75。在激光光源I之后、折射放大三棱镜6之前依次同轴安置针孔滤波器2、准直透镜3、孔径光阑4。由针孔滤波器2消除因空气中的灰尘、激光光源I内的光学元件以及测量光本身散射光对测量光的干扰。准直透镜3使得测量光相对于光路轴线具有预定角度，成为符合要求的准直光。由孔径光阑4滤除杂散光并缩小测量光光束直径。此时的测量光照射到微力弹性兀件表面5并被反射。折射放大三棱镜6位于激光光源I和PSD9之间，并且位于测量光的反射光路上。激光光源I光轴与折射放大三棱镜6轴线空间垂直，这一特征表现在被微力弹性元件表面5反射后的测量光光轴与折射放大三棱镜6轴线垂直但不相交。激光光源I发出的测量光被微力弹性元件表面5反射后入射折射放大三棱镜6的入射角a大于等于70°、小于90°。在折射放大三棱镜6与PSD9之间的光路上依次安置有光斑矫正三棱镜7、滤光片8。光斑矫正三棱镜7的几何参数、光学参数与折射放大三棱镜6相同；光斑矫正三棱镜7的轴线与折射放大三棱镜6的轴线垂直；光斑矫正三棱镜7与折射放大三棱镜6的入射镜面、出射镜面相同。滤光片8与测量光相匹配，并滤除测量光中的大部分杂散光。PSD9感光面与自折射放大三棱镜6出射的测量光垂直。
[0011 ] 激光光源I发出的测量光经过针孔滤波器2滤波后入射准直透镜3，经过准直后再由孔径光阑4缩小光束直径，此时的测量光照射到微力弹性元件表面5，反射后入射折射放大三棱镜6，自折射放大三棱镜6出射的测量光由光斑矫正三棱镜7进行光斑形状矫正，接近圆形，以符合PSD对入射光斑形状的要求，由滤光片8滤除测量光中的大部分杂散光，最后投射到PSD9感光面上。
[0012]当微力弹性元件表面5发生位移D时，导致反射的测量光相对于原光路平移了一个距离Ii1，位移D转化为反射测量光的平行距离Ii1，其关系为:
[0013]h1=2Dcos β ,
[0014]式中β为测量光入射微力弹性元件表面5的入射角。
[0015]当微力弹性元件表面5发生位移D时，被微力弹性元件表面5反射的测量光在折射放大三棱镜6的入射镜面上的入射点相对于原光路移动了一个距离L1,测量光被折射放大三棱镜6的入射镜面折射后相对于原光路平移了一个距离h2，则有以下关系:
[0016]h1=L1cosa
[0017]及h2=L1cosb
[0018]式中b为测量光通过折射放大三棱镜6的入射面的折射角
[0019]折射放大三菱镜6的折射率为n,则有关系式：
[0020]
【权利要求】
1.一种折射放大光学位移传感器，包括激光光源(I)和PSD (9),其特征在于,折射放大三棱镜(6)位于激光光源(I)和PSD (9)之间的反射光路上，激光光源(I)光轴与折射放大三棱镜(6)轴线空间垂直，激光光源(I)发出的测量光入射折射放大三棱镜(6)的入射角a大于等于70°、小于90° ,PSD (9)感光面与自折射放大三棱镜(6)出射的测量光垂直。
2.根据权利要求1所述的折射放大光学位移传感器，其特征在于，在激光光源(I)之后、折射放大三棱镜(6)之前依次同轴安置针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、孔径光阑(4)。
3.根据权利要求1所述的折射放大光学位移传感器，其特征在于，在折射放大三棱镜(6)与PSD (9)之间的光路上安置有光斑矫正三棱镜(7);光斑矫正三棱镜(7)的几何参数、光学参数与折射放大三棱镜(6)相同；光斑矫正三棱镜(7)的轴线与折射放大三棱镜(6)的轴线垂直；光斑矫正三棱镜(7)与折射放大三棱镜(6)的入射镜面、出射镜面相同。
4.根据权利要求3所述的折射放大光学位移传感器,其特征在于，折射放大三棱镜(6)与光斑矫正三棱镜(7)组成一个棱镜放大系统，在本发明之折射放大光学位移传感器中能够配置η个这样的棱镜放大系统，能够实现光学位移的Kn倍放大。
【文档编号】G01B11/02GK103438805SQ201310361465
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】于占江, 吴雅博, 于化东, 许金凯, 丁戗, 杨英歌 申请人:长春理工大学